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Des horloges atomiques ultra précises pourraient redéfinir la mesure d’une seconde

par Revue de presse

Qu’est-ce que le temps, existe-t-il d’abord vraiment ? C’est à cette question que physiciens et philosophes cherchent à répondre. En outre les techniques de mesure se sont sophistiquées, la longueur d’une seconde n’a pas connu de définition quantifiable plus précise pendant des décennies. Cela pourrait changer bientôt, c’est ce dont rend compte un article paru dans la revue Live science et que nous avons sélectionné dans notre revue de presse

La définition de la seconde, l’unité de temps la plus fondamentale de notre système de mesure actuel, n’a pas été actualisée depuis plus de 70 ans (à quelques milliardièmes de seconde près).

Mais au cours de la prochaine décennie, cela pourrait changer : Des horloges atomiques optiques ultra-précises, qui utilisent la lumière visible, sont en passe de définir la nouvelle définition de la seconde.

Ces nouvelles versions de l’horloge atomique sont, du moins en théorie, beaucoup plus précises que l’horloge au césium de référence, qui mesure une seconde sur la base de l’oscillation des atomes de césium lorsqu’ils sont exposés à des micro-ondes.

« On peut considérer que cela équivaut à avoir une règle avec des marques de tic-tac tous les millimètres, par opposition à un bâton qui ne mesure qu’un mètre« , a déclaré à Live Science Jeffrey Sherman, chercheur à la division Temps et Fréquences du National Institute of Standards and Technology à Boulder (Colorado).

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Unité de mesure fondamentale

En juin, le Bureau international des poids et mesures pourrait publier les critères nécessaires à toute définition future de la seconde, selon le New York Times. Jusqu’à présent, aucune horloge optique n’est tout à fait prête pour le prime time. 

Mais une nouvelle définition pourrait être officiellement approuvée dès 2030. Le nouveau type d’horloge optique pourrait aider à démasquer la matière noire, la substance invisible qui exerce une attraction gravitationnelle, ou à trouver des vestiges du Big Bang appelés ondes gravitationnelles, les ondulations de l’espace-temps prédites par la théorie de la relativité d’Einstein.

La seconde standard actuelle est basée sur une expérience réalisée en 1957 avec un isotope, ou variante, du césium. Lorsqu’ils sont pulsés par une longueur d’onde spécifique de micro-ondes, les atomes de césium sont les plus « excités » et libèrent le plus grand nombre possible de photons, ou unités de lumière.

Cette longueur d’onde, appelée fréquence de résonance naturelle du césium, provoque un « tic-tac » des atomes de césium 9 192 631 770 fois par seconde. Selon le New York Times, cette définition initiale de la seconde était liée à la longueur d’un jour en 1957 – et celle-ci, à son tour, était liée à des éléments variables, tels que la rotation de la Terre et la position d’autres objets célestes à cette époque.

En revanche, les horloges atomiques optiques mesurent l’oscillation d’atomes qui « tictac » beaucoup plus rapidement que les atomes de césium lorsqu’ils sont pulsés par de la lumière dans la gamme visible du spectre électromagnétique. Parce que leur tic-tac est beaucoup plus rapide, elles peuvent, en théorie, définir une seconde avec une résolution beaucoup plus fine.

Il existe de nombreux candidats pour supplanter le césium comme chronométreur en titre, notamment le strontium, l’ytterbium et l’aluminium. Chacun a ses avantages et ses inconvénients, a déclaré M. Sherman.

Pour réaliser de telles horloges, les chercheurs doivent suspendre puis refroidir des atomes jusqu’à ce qu’ils soient à un cheveu du zéro absolu, puis leur envoyer par impulsion la couleur de lumière visible précisément réglée nécessaire pour exciter au maximum les atomes. Une partie du système projette la lumière sur les atomes, tandis que l’autre compte les oscillations.

Mais certains des plus grands défis consistent à s’assurer que le laser émet exactement la bonne couleur de lumière – par exemple, une certaine nuance de bleu ou de rouge – nécessaire pour faire entrer les atomes dans leur fréquence de résonance, a expliqué M. Sherman. La deuxième étape, qui consiste à compter les oscillations, nécessite un peigne de fréquence laser femtoseconde, qui envoie des impulsions de lumière espacées à intervalles minuscules.

Ces deux éléments sont des prouesses d’ingénierie incroyablement compliquées et peuvent à eux seuls occuper une salle de laboratoire entière, a précisé M. Sherman.

Utilisation des horloges optiques

L’horloge à eau ou l’antique clepsydre

Alors pourquoi les scientifiques veulent-ils des horloges atomiques toujours plus précises pour mesurer la seconde ? Il ne s’agit pas d’un simple exercice académique. 

Le temps ne marche pas simplement à son propre rythme ; la théorie de la relativité d’Einstein affirme qu’il est déformé par la masse et la gravité. Par conséquent, le temps peut s’écouler infiniment plus lentement au niveau de la mer, où le champ gravitationnel de la Terre est plus fort, qu’au sommet de l’Everest, où il est légèrement plus faible. 

La détection de ces infimes changements dans l’écoulement du temps pourrait également révéler des indices d’une nouvelle physique. Par exemple, l’influence de la matière noire n’a jusqu’à présent été détectée que dans la danse lointaine des galaxies qui tournent les unes autour des autres, dans la courbure de la lumière autour des planètes et des étoiles, et dans la lumière résiduelle du Big Bang.

Mais si des amas de matière noire se cachent plus près de chez nous, des horloges ultra-précises qui détectent le minuscule ralentissement du temps pourraient les trouver.

De même, lorsque les ondes gravitationnelles secouent le tissu de l’espace-temps, elles écrasent et étirent le temps. Certaines des plus grandes ondes gravitationnelles sont détectées par l’observatoire d’ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser, une course de relais de plusieurs milliers de kilomètres pour la lumière qui mesure les blips dans l’espace-temps créés par des événements cataclysmiques tels que les collisions de trous noirs. Mais un bataillon d’horloges atomiques dans l’espace pourrait détecter ces effets de dilatation du temps pour des ondes gravitationnelles beaucoup plus lentes, comme celles du fond diffus cosmologique. « Il s’agit d’ondes gravitationnelles dites primordiales qui pourraient être des vestiges du Big Bang« , a déclaré M. Sherman.

Tia Ghose
Article publié dans Live science
Traduction Wukali

Illustration de l’entête: Une horloge atomique optique à réseau de strontium. Les horloges atomiques optiques ultra-précises pourraient redéfinir l’unité de temps la plus fondamentale au cours de la prochaine décennie (Crédit image The Ye group and Brad Baxley, JILA)

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